能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀的製作方法

2023-05-04 02:36:36

專利名稱：能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及用於油田勘探開發過程中的電信號檢測和接收的電法接收裝置， 尤其是一種能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，主要應用於油田開發中的壓裂、注水、調 剖和隨鑽過程監測。
背景技術：
油氣開採生產井壓裂作業後基本上都需要裂縫方位監測，深層氣井也需要進行壓 裂裂縫監測。目前，應用於油田勘探開發的電法接收儀在地面測試人工電位場時，採用超低 頻方波/直流發射與對應接收，無法完全剔除相同頻率的幹擾信號，對信號的處理方式是: 先接收全部相同頻率信號，再進行幹擾信號消除，因此對信噪要求較高，背景幹擾信號較大 或信號強度較弱，均會對電位異常分辨能力產生較大影響，在採集過程中無法排除幹擾信 號的影響。所以急需一種具有微伏級測量精度的、抗幹擾的接收儀。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種高測量精度的、抗幹擾的能加載偽隨機編碼的可控 信號接收儀，其中的可控信號加載有偽隨機編碼，在油田勘探開發中當井內深層發射，在地 面測試人工電場時，能夠排除幹擾背景，可清晰地分辨深層低阻異常體。實現本實用新型目的的技術方案是一種能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，用於油田勘探開發過程中的電信號檢 測和接收，至少包括依次連接的信號採集和放大單元、濾波單元以及A/D轉換單元，其中所 述信號採集和放大單元將採集到的現場信號放大後傳輸給所述濾波單元和所述A/D轉換 單元進行處理；所述可控信號接收儀還包括DSP處理單元、通訊單元以及中央控制器單 元，所述通訊單元連接於所述A/D轉換單元和所述中央控制器單元之間；其中所述中央控 制器單元產生偽隨機編碼並轉化為電壓變化信號，再通過所述通訊單元傳輸給所述DSP處 理單元，作為特徵信號保存；另一方面，DSP處理單元還接收所述A/D轉換單元處理後的現 場信號，並與所述特徵信號進行對比處理，處理的結果是只保留具有所述偽隨機編碼特徵 的現場信號。所述中央控制器單元進一步包括一個中央控制器以及一個偽隨機編碼發生單元； 其中所述偽隨機編碼發生單元根據測量精度的要求產生不同的偽隨機編碼並傳輸至所述 中央控制器，而所述中央控制器將所述偽隨機編碼轉化為電壓變化的信號。所述偽隨機編碼通過選用不同的周期而產生不同的測量精度，偽隨機編碼位數越 長，測量精度越高。所述偽隨機編碼發生單元產生的偽隨機編碼為15位。所述DSP處理單元包括一個TMS320C2XX型DSP器件以及至少一個存儲器。所述存儲器為SRAM高速存儲器。[0012]所述中央控制器單元還包括電平轉換電路，連接於所述中央控制器和所述偽隨機 編碼發生單元之間；其中所述偽隨機編碼發生單元發出的所述偽隨機編碼由所述電平轉換 電路傳輸至所述中央控制器，由所述中央控制器處理轉化為電壓變化信號，再由所述通訊 電路通過一個通訊電路發送至所述通訊單元。所述中央控制器為單片機C8051F236，所述單片機轉化生成的電壓變化信號為 士5V電壓變化信號；所述通訊電路採用MAX485電路，所述電平轉換電路採用MAX232電路。所述MAX232電路和所述MAX485電路通過串行口進行驅動和通信。所述偽隨機編碼發生單元為一臺計算機，所述計算機還具有實時列印和顯示監測 數據的功能。所述信號採集和放大單元包括多組測點，每組測點分別包括N、COM、M端子，所述 多個N、COM、M端子以被測井為圓心分內、中、外三圈均勻分布以測試N-COM、M-COM之間的 電壓。所述信號採集和放大單元包括24組測點，所述內、中、外三圈與被測井的距離分 別為70m、100m、150m，每組測點的採樣頻率為1MHz，採樣方式為中斷方式，採樣通道數為2路。本實用新型具有積極的效果本實用新型的可控信號接收儀把偽隨機編碼控制技術應用到大地人工電位場測 試中，由大功率發射儀通過油/水井或地面電極向地層供入偽隨機編碼控制的方波電流， 地面電位通過本實用新型的可控信號接收儀進行同步測量，接收儀只接收具有與發射信號 相同特徵的信號，這一特徵信號在幹擾信號中不會出現，從而根本上解決了儀器解析度和 精度問題，可完成數據實時採集、實時處理，可隨時產生動態圖形和數據報表，並可現場查 看和列印，極大地方便了現場操作。

圖1為本實用新型能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀的功能原理框圖；圖2為本實用新型一個具體實施例的中央控制器單元的功能框圖；圖3為圖2實施例的中央控制器單元的詳細電路圖；圖4為本實用新型一個具體實施例的信號採集和放大單元的詳細電路圖；圖5為本實用新型一個具體實施例的濾波電路圖；圖6為本實用新型一個具體實施例的A/D轉換電路圖；圖7a 圖7c為本實用新型一個具體實施例的DSP處理系統圖；圖8為本實用新型一個具體實施例的通訊單元的詳細電路圖；圖9為本實用新型一個具體實施例DDPI-EMR接收儀系統現場連接示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀進行詳細說明。 但是，本領域技術人員應該知曉的是，本實用新型不限於所列出的具體實施方式
，只要符合 本發明的精神，都應該包括於本發明的保護範圍內。首先請參考圖1，為本實用新型的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀的功能原
5理框圖；本實用新型的可控信號接收儀包括以下幾個主要部分1、信號採集和放大單元110圖1中只給出了一組測點的示意圖，每組測點分別包括M、N兩個輸入端子以及一 個COM端子，在實際應用中本實用新型的可控信號接收儀可連接多個測量單元，本說明書 的下文中如無特別說明則僅以一個測量單元為例描述本實用新型的原理和信號處理過程， 特此說明。請同時參見圖4，圖4為本實用新型一個具體實施例中的信號採集和放大單元的 詳細電路圖，油/水井或地面電極分別從圖1中的M、N兩個輸入端送入測量信號，每個測量 單元可以對M、N兩個輸入端同時或分別進行測量，在一個具體實施例中，M、N兩個輸入端採 用了銅電極，當然，在其他實施例中也可採用其他種類電極，如鋁等金屬的電極。採集到的 信號首先由放大器傳輸給放大電路做放大處理，包括電荷放大、電壓放大以及積分放大，圖 4中四個晶片組成了這些放大電路。2、濾波單元120信號被放大處理後進行濾波，如圖5所示，圖5是本實用新型一個具體實施例的濾 波電路圖，因這些都是本領域熟知的技術，故不再贅述。3、A/D 轉換單元 130採用了地震儀系統中普遍採用的浮點增益控制及快速A/D轉換技術的結合。浮 點增益控制能使各道信號都有足夠的增益，使之在進行量化時都能佔到模效轉換器的高位 上；高速率A/D轉換能保證高精度條件下有足夠快的轉換速度。在工作過程中，為保證測量 精度，儀器始終處於高速測量狀態，以保證獲得大量的數據。如圖6所示是本實用新型一個 具體實施例中的具有高速A/D轉換功能的詳細電路圖。從現場採集來的信號在A/D轉換單 元130被轉換成為數位訊號。4、DSP 處理單元 140為了提高數據的處理速度和精度，本系統的分布式採集單元的核心器件採用的是 高速DSP (Digital Signal Processing，數位訊號處理)晶片，它可以在低頻範圍對許多復 雜的測量分析達到實時處理。如圖7a 7c所示為本實用新型一個具體實施例的DSP處理 系統圖，DSP器件使用TMS320C2XX型為主體進行相關計算；DSP是通用的可編程的晶片，與 單片機比較，它更適合數字處理算法。在一個實施例中，數位訊號處理系統140中還包括4M 字節(16位)SRAM高速存儲器，可以完成數據量很大的實時計算處理。在本實用新型其他 實施例中，還可以包括一個或多個其他式樣的存儲器。在監測過程中，從地下發送出的偽隨機編碼信號由中央控制器單元160經通訊單 元150傳遞給DSP處理單元140後先存儲起來，當M、N兩個輸入端子以及一個COM端子採 集的地面現場信號經過信號採集和放大單元110、濾波單元120、A/D轉換單元130處理後 傳輸到DSP處理單元140，DSP處理單元140對採集的現場信號和之前中央處理器單元160 接收的偽隨機編碼信號進行相關性計算，計算結果只保留具有與發射信號相同特徵的採集 信號，因而排除了幹擾信號，提高了採集精度。圖7a_7c中的電路圖除圖7c中那些緩存器是用來存儲24個點採集信號外，其他 存儲器都是傳輸信號用，為DSP計算服務，圖中標號帶「A」的是地址線，帶「D」的就是數據 線。5、通訊單元150[0042]如圖8所示為本實用新型一個具體實施例的通訊單元的詳細電路圖，該實施例採 用晶片MAX1480B，與中央控制器單元160相連接，負責DSP處理單元140與中央控制器單元 160之間的通信。6、中央控制器單元160圖2所示是本實用新型一個實施例的中央控制器單元160的功能框圖，中央控制 器單元160包括一個中央控制器700以及偽隨機編碼發生單元710，偽隨機編碼發生單元 710的功能是根據測量精度的要求產生不同的偽隨機編碼並傳輸至中央控制器700，其中 偽隨機編碼可通過選用不同的周期而產生不同的測量精度，偽隨機編碼位數越長，測量精 度越高。而中央控制器700的功能是對偽隨機編碼進行電路變換，轉化為士5V電壓變化的 信號，並通過通訊單元150傳輸給DSP處理單元140，作為特徵信號保存等待對比處理。在一個實施例中，如圖3所示，中央控制器700採用了單片機C8051F236，偽隨機編 碼發生單元710由計算機擔任，發生了一個15位的偽隨機編碼序列{A15} = 1000100110 101111000100110101111···，該偽隨機編碼經過採用MAX232晶片的電平轉換電路705和中 央控制器700後，處理轉化為士5V電壓變化的信號，然後通過通訊電路傳輸到數字處理單 元DSP單元140作為特徵信號保存等待對比處理；同時接收儀三個端子M、N、Com採集的由 發射儀向地層加載的偽隨機編碼控制的現場信號，經過信號採集和放大單元110、濾波單元 120和A/D轉換單元130的處理後形成具有加載偽隨機編碼特徵的地層電場信號，這些現 場信號也逐個傳輸給DSP處理單元140，DSP處理單元140把這些現場信號與前面已經保存 的特徵信號作對比處理，處理的結果是只保留具有偽隨機編碼特徵的地層電場信號，從而 避免其他信號的幹擾，達到清晰分辨深層低阻異常體的目的。例如，這個例子中就只保留具 有{A15} = 1000100110101111000100110101111…特徵的地層電場信號，這個信號由於是 由自己控制的發射儀向地層發射的信號，因此就可以清晰的指明深層低阻異常體的方位。在上述圖3所示的本實用新型的一個優選實施例中，中央控制器700還連接了一 個MAX485通訊電路，負責發送單片機C8051F236生成的士5V電壓變化的信號。MAX485通 訊電路通過與本實用新型的接收儀相配套的可控信號發射儀(已經由本申請人另行提出 專利申請)上的同步接口將偽隨機編碼信號送入發射儀；請同時參見圖3及圖8，圖3是一 個實施例中的中央控制器單元160的詳細電路圖，圖8為本實用新型一個具體實施例的通 訊單元的詳細電路圖，與上述偽隨機編碼信號送入發射儀的過程同時發生的是，同樣的偽 隨機編碼信號通過本實用新型接收儀的中央控制器單元160的A、B接口輸出到通訊單元 150，經電路轉化後經過接口 TXD及RXD連接DSP處理單元140的接口 TXD、RXD再傳輸到 DSP處理單元140的TMS320C2XX型DSP器件中(參見圖7a右邊)，經過上述過程的處理， 偽隨機編碼信號被送入了本接收儀的DSP晶片中。在一個具體實施例中，MAX485通訊電路採用MAX485接口晶片，它是Maxim公司的 一種RS-485晶片，其採用單一電源+5V工作，額定電流為300 μ A，採用半雙工通訊方式，它 完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能，ΜΑΧ485晶片的結構和引腳都非常簡單，內部含 有一個驅動器和接收器，RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接 時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發送的使能端，當 /RE為邏輯0時，器件處於接收狀態；當DE為邏輯1時，器件處於發送狀態，因為ΜΑΧ485工 作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發送的差分信號端，當A引腳的電平高於B時，代表發送的數據為1 ；當A的電平低於B 端時，代表發送的數據為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485 的接收和發送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100 Ω的電阻。在本實用新型的一個實施例中，採用串行口取電，可以驅動ΜΑΧ232與ΜΑΧ485實現 通信。沒加負載時電壓為5. 16V，加負載後降到3V左右。由上面的詳述可知，本實施例的ΜΑΧ485通訊電路發送的信號就是偽隨機編碼控 制信號，用它來控制發射機發送此類信號，作為發射信號使用，同時這個信號也發送給本實 用新型的接收儀，如前所述，接收儀通過對比處理，在接收端只保留與發射端一致的偽隨機 編碼信號，因而就可以排除外界幹擾信號，提高儀器精度。以下通過一個應用於油田現場的實施例，對本實用新型接收儀的使用方法做進一 步說明。如圖9所示為本實用新型一個具體實施例的DDPI-EMR系統的現場連接示意圖，該 實施例中，A點表示被測井，B點表示電流返回井，在Α、Β井之間安裝了發射儀，圍繞A井環 形布置了 24個測點，分內、中、外三圈，以A為圓心呈環形均勻分布，這三圈與A點距離分別 為70m、100m、150m,當然在其他實施例中也可以採用其他布置方式或其他距離數據。其中內 圈為24個N端子、中間實線為COM端子、外圈為24個M端子，稱為內、中、外端子，用於測試 N-COM、M-COM之間的電壓；每組內中外端子組成了一組測點，這24組測點對應於本實用新 型的信號採集和放大單元110。請同時參見圖4，圖中左邊的三個端子「Mp0le」、「Np0le」、 「COMpole」對應於Μ、N、COM端子。該實施例中，DDPI-EMR型可控信號接收儀的24組測點 串接在系統總線上，每組測點分別使用雙通道同時測量計算的復用技術以加強系統的可靠 性。在該實施例中，採樣頻率為IMHz ；採樣方式為中斷方式；採樣通道數2路。發射儀發射偽隨機編碼信號後，本實用新型的接收儀負責統一接收，每組測點都 單獨使用一個數據處理系統，即本實施例中有24個圖1所示的單元110 單元140，採集完 數據後統一傳輸至中央控制器單元160，由中央控制器單元160負責傳輸至外部計算機(圖 中未示)統一處理並列印。在一個優選實施例中，外部計算機和偽隨機編碼發生單元710 可以由同一部計算機擔任。以下是本實用新型接收儀的一個優選實施例中的技術指標◎測量精度1. 5%0 (均方根誤差)；◎分辯率1 μ V (量程50mV時)；◎所有測量單元的一致性< 5%，單個測量單元的重複性< 5% ；◎輸入阻抗80ΜΩ;◎工作溫度範圍-20°C +70°C ；◎各測量單元溫度漂移一致性< 士2yV/20°C，各測量單元零點漂移一致性 < 士 10μ V ；◎各個測點要同時測量，根據儲層電阻率數值碼寬和周期任選，即採集周期不固 定；◎多組頻點掃頻，頻率在10-6Ηζ IOHz範圍內任意組合；◎時域信號指標周期100 100，OOOrns ；周期數1 10000 ；◎提供上百種偽碼信號供現場選擇；◎抗幹擾能力強、工作可靠；系統的生產和調試過程簡單，可滿足以後大規模監測裝備需求。由上面的實例可見，因為發射儀通過油/水井或地面的電極M、N向地層供入偽隨 機編碼控制的方波電流，地面電位通過DDPI-EMR型可控信號接收儀進行同步測量，接收儀 器只接收具有與發射信號相同特徵的信號，這一特徵信號在幹擾信號中不會出現，所以本 發明從根本上解決了儀器解析度和精度問題，可完成數據實時採集、實時處理，可隨時產生 動態圖形和數據報表，並可現場查看和列印。應該注意的是上述實施例是示例而非限制本發明，本領域技術人員將能夠設計很 多替代實施例而不脫離本發明的範圍。
權利要求一種能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，用於油田勘探開發過程中的電信號檢測和接收，至少包括依次連接的信號採集和放大單元、濾波單元以及A/D轉換單元，其中所述信號採集和放大單元將採集到的現場信號放大後傳輸給所述濾波單元和所述A/D轉換單元進行處理；其特徵是所述可控信號接收儀還包括DSP處理單元、通訊單元以及中央控制器單元，所述通訊單元連接於所述A/D轉換單元和所述中央控制器單元之間；其中所述中央控制器單元產生偽隨機編碼並轉化為電壓變化信號，再通過所述通訊單元傳輸給所述DSP處理單元，作為特徵信號保存；另一方面，DSP處理單元還接收所述A/D轉換單元處理後的現場信號，並與所述特徵信號進行對比處理，處理的結果是只保留具有所述偽隨機編碼特徵的現場信號。
2.如權利要求1所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述中央控 制器單元進一步包括一個中央控制器以及一個偽隨機編碼發生單元；其中所述偽隨機編碼 發生單元根據測量精度的要求產生不同的偽隨機編碼並傳輸至所述中央控制器，而所述中 央控制器將所述偽隨機編碼轉化為電壓變化的信號。
3.如權利要求2所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述偽隨機 編碼通過選用不同的周期而產生不同的測量精度，偽隨機編碼位數越長，測量精度越高。
4.如權利要求3所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述偽隨機 編碼發生單元產生的偽隨機編碼為15位。
5.如權利要求1或2所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述DSP 處理單元包括一個TMS320C2XX型DSP器件以及至少一個存儲器。
6.如權利要求5所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述存儲器 為SRAM高速存儲器。
7.如權利要求2、3、4或5所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所 述中央控制器單元還包括電平轉換電路，連接於所述中央控制器和所述偽隨機編碼發生單 元之間；其中所述偽隨機編碼發生單元發出的所述偽隨機編碼由所述電平轉換電路傳輸至 所述中央控制器，由所述中央控制器處理轉化為電壓變化信號，再由所述通訊電路通過一 個通訊電路發送至所述通訊單元。
8.如權利要求7所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述中央控 制器為單片機C8051F236，所述單片機轉化生成的電壓變化信號為士5V電壓變化信號；所 述通訊電路採用MAX485電路，所述電平轉換電路採用MAX232電路。
9.如權利要求8所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述MAX232 電路和所述MAX485電路通過串行口進行驅動和通信。
10.如權利要求7所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述偽隨機 編碼發生單元為一臺計算機，所述計算機還具有實時列印和顯示監測數據的功能。
11.如權利要求1、2、3或5所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所 述信號採集和放大單元包括多組測點，每組測點分別包括N、COM、M端子，所述多個N、COM、 M端子以被測井為圓心分內、中、外三圈均勻分布以測試N-COM、M-COM之間的電壓。
12.如權利要求11所述的能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，其特徵是所述信號採 集和放大單元包括24組測點，所述內、中、外三圈與被測井的距離分別為70m、100m、150m，每組測點的採樣頻率為1MHz，採樣方式為中 斷方式，採樣通道數為2路。
專利摘要一種能加載偽隨機編碼的可控信號接收儀，用於油田勘探開發過程中的電信號檢測和接收，包括依次連接的信號採集和放大單元、濾波單元以及A/D轉換單元，DSP處理單元、通訊單元、以及中央控制器單元，中央控制器單元產生偽隨機編碼並轉化為電壓變化信號，再通過通訊單元傳輸給DSP處理單元，作為特徵信號保存；另一方面，DSP處理單元還接收A/D轉換單元處理後的現場信號，並與特徵信號進行對比處理，處理的結果是只保留具有偽隨機編碼特徵的現場信號。因本實用新型接收儀只接收具有與發射信號相同特徵的信號，從根本上解決了儀器解析度和精度問題，在地面測試人工電場時，能夠排除幹擾背景，可清晰地分辨深層低阻異常體。
文檔編號E21B47/12GK201705340SQ201020157270
公開日2011年1月12日 申請日期2010年4月12日 優先權日2010年4月12日
發明者劉延平, 呂軍, 張金成, 王愛國, 魏建平 申請人:大港油田集團有限責任公司